稀土金属掺杂氮化铜的第一性原理研究.pdf

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4、isSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofScienceByZhenliWuSupervisor:Prof.Xing’aoLiMarch2015摘要氮化铜（Cu3N）作为一种可应用于光存储器和高速集成电路的新材料，已然成为一个研究热点。Cu3N是一种具有较高电阻率、较低热分解温度的亚稳态半导体材料，其晶体为反三氧化铼（anti-ReO3）型立方体结构，N原子分布在立方晶体的顶点处，Cu原子分布在立方晶体棱边的中心处并以共价键形式与

5、N原子结合。Cu3N的结构很特殊，因为Cu原子未占据晶胞的体心位置，所以其立方体结构中存在许多空位，当其他原子填充到这些空位时，其性质将会发生显著的变化。本论文的中心点是利用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法，通过WIEN2k软件，对Cu3N和稀土原子掺杂Cu3N（Cu3NM）进行系统的理论计算，M分别为Sc，Y，La及其他镧系稀土金属。本文利用Cu3N和Cu3NM晶胞结构优化后得到的晶格常数创建最优结构，计算了Cu3N和Cu3NM的结构、电学、弹性以及光学等性质。在掺杂原子M中，Sc，Y，La属于同一族，La及其他镧系稀土金属的核外电子排

6、布基本相似，只是4f电子数的增加，为了分析同一族和4f电子数增加对Cu3N性质的不同影响，本文分别分析了Cu3NM1（M1=Sc，Y和La）和Cu3NM2（M2=镧系稀土金属）的各种性质，结果表明：（1）Cu3N被M1（M1=Sc，Y和La）原子掺杂在体心空位后，其晶格常数变大。电学性质分析结果表明Cu3N经M1原子掺杂后由间接带隙半导体转变为导体，在Cu3N结构中占主导地位的Cu原子3d轨道与N原子2p轨道之间的杂化作用，被M1原子的d轨道作用弱化，演变成Cu原子3d轨道与M1原子d轨道相互作用为主导。体弹模量和弹性参数的计算值符合机械稳定性标

7、准，说明所研究化合物都是机械稳定的。光学性质分析结果表明M1原子掺杂促使Cu3N所有的光学谱都发生了蓝移现象；Cu3N和Cu3NM1的形成能结果显示Cu3NM1的形成能相比Cu3N的更小，即M1原子掺杂促使Cu3N更加稳定。（2）M2（M2=镧系稀土金属）原子掺在Cu3N的体心空位后对其性质有很大的影响。M2原子掺杂后，Cu3N的体积发生膨胀，即晶格常数增大，且随4f轨道电子数的增加，晶格常数呈下降的趋势。Cu3NM2的形成能呈现不规律的变化，主要跟M2原子的4f轨道上的电子与Cu3N反应强烈程度有关。态密度和能带结构计算结果表明Cu3NM2具有

8、了导体的属性。吸收谱分析结果表明Cu3NM2的吸收边与Cu3N相比全部向能量大的方向发生了偏移。关键词:氮化铜，稀土金属掺杂，第一性原理